Les lasers térahertz pourraient bientôt avoir leur heure. Émettant un rayonnement qui se situe quelque part entre les micro-ondes et la lumière infrarouge le long du spectre électromagnétique, les lasers térahertz ont fait l'objet d'études approfondies en raison de leur capacité à pénétrer les matériaux d'emballage courants tels que les plastiques, tissus, et carton et être utilisé pour l'identification et la détection de divers produits chimiques et espèces biomoléculaires, et même pour l'imagerie de certains types de tissus biologiques sans causer de dommages. Pour nous, exploiter le potentiel des lasers térahertz repose sur l'amélioration de leur intensité et de leur luminosité, obtenu en améliorant la puissance de sortie et la qualité du faisceau.

Sushi Kumar, professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique de l'Université Lehigh, et son équipe de recherche travaillent à l'avant-garde de la technologie des lasers à « cascade quantique » (QCL) à semi-conducteurs térahertz. En 2018, Kumar, qui est également affilié au Centre de photonique et de nanoélectronique de Lehigh (CPN) a signalé une technique simple mais efficace pour améliorer la puissance de sortie des lasers monomodes basée sur un nouveau type de mécanisme de « rétroaction distribuée ». Les résultats ont été publiés dans la revue La nature Communications et a reçu beaucoup d'attention en tant qu'avancée majeure dans la technologie QCL térahertz. Le travail a été réalisé par des étudiants diplômés, dont Yuan Jin, supervisé par Kumar et en collaboration avec Sandia National Laboratories.

Maintenant, Kumar, Jin et John L. Reno de Sandia rapportent une autre percée technologique térahertz :ils ont développé une nouvelle technique de verrouillage de phase pour les lasers plasmoniques et, par son utilisation, atteint une puissance de sortie record pour les lasers térahertz. Leur laser a produit l'efficacité radiative la plus élevée pour n'importe quel laser à cascade quantique à semi-conducteur à longueur d'onde unique. Ces résultats sont expliqués dans un article, « Matrice laser plasmonique térahertz à phase verrouillée avec une puissance de sortie de 2 W dans un seul mode spectral » publié hier dans Optique .

"Au meilleur de nos connaissances, l'efficacité radiative de nos lasers térahertz est la plus élevée démontrée pour tous les QCL à longueur d'onde unique à ce jour et constitue le premier rapport d'une efficacité radiative supérieure à 50 % atteinte dans de tels QCL, " a déclaré Kumar. " Une telle efficacité radiative a dépassé nos attentes, et c'est aussi l'une des raisons pour lesquelles la puissance de sortie de notre laser est nettement supérieure à ce qui a été réalisé auparavant. »

Pour améliorer la puissance optique de sortie et la qualité du faisceau des lasers à semi-conducteurs, les scientifiques utilisent souvent le verrouillage de phase, un système de commande électromagnétique qui force un réseau de cavités optiques à émettre un rayonnement en phase de verrouillage. QCL térahertz, qui utilisent des cavités optiques avec des revêtements métalliques (gaines) pour le confinement de la lumière, sont une classe de lasers connus sous le nom de lasers plasmoniques qui sont connus pour leurs faibles propriétés radiatives. Il n'y a qu'un nombre limité de techniques disponibles dans la littérature antérieure, ils disent, qui pourraient être utilisés pour améliorer l'efficacité radiative et la puissance de sortie de ces lasers plasmoniques par des marges significatives.

"Notre article décrit un nouveau schéma de verrouillage de phase pour les lasers plasmoniques qui est nettement différent des recherches antérieures sur les lasers à verrouillage de phase dans la vaste littérature sur les lasers à semi-conducteurs, " dit Jin. " La méthode démontrée utilise des ondes de surface de rayonnement électromagnétique comme un outil pour le verrouillage de phase des cavités optiques plasmoniques. L'efficacité de la méthode est démontrée en atteignant une puissance de sortie record pour les lasers térahertz qui a été augmentée d'un ordre de grandeur par rapport aux travaux antérieurs. »

Des ondes de surface progressives qui se propagent le long de la couche métallique des cavités, mais à l'extérieur dans le milieu environnant des cavités plutôt qu'à l'intérieur, est une méthode unique qui a été développée dans le groupe Kumar ces dernières années et qui continue d'ouvrir de nouvelles voies pour de nouvelles innovations. L'équipe s'attend à ce que le niveau de puissance de sortie de leurs lasers puisse conduire à des collaborations entre les chercheurs sur les lasers et les scientifiques des applications en vue du développement de plates-formes de spectroscopie térahertz et de détection basées sur ces lasers.

Cette innovation dans la technologie QCL est le résultat d'un effort de recherche à long terme par le laboratoire de Kumar à Lehigh. Kumar et Jin ont développé conjointement l'idée finalement mise en œuvre par le biais de la conception et de l'expérimentation sur une période d'environ deux ans. La collaboration avec le Dr Reno des laboratoires nationaux Sandia a permis à Kumar et à son équipe de recevoir du matériau semi-conducteur pour former le support optique en cascade quantique de ces lasers.

La principale innovation de ce travail, selon les chercheurs, est dans la conception des cavités optiques, ce qui est quelque peu indépendant des propriétés du matériau semi-conducteur. L'outil de gravure plasma à couplage inductif (ICP) nouvellement acquis au CPN de Lehigh a joué un rôle essentiel en repoussant les limites de performance de ces lasers, ils disent.

Cette recherche représente un changement de paradigme dans la façon dont de tels lasers térahertz à longueur d'onde unique avec des faisceaux étroits sont développés et seront développés à l'avenir, dit Kumar, ajoutant :« Je pense que l'avenir des lasers térahertz s'annonce très prometteur.